快速浇筑条件下混凝土坝施工期应力特性和防裂方法研究

经济性和安全性是工程科学领域的一对永恒矛盾，混凝土坝工程建设过程中的一个重要经济性问题是投资大、建设周期长,同时存在的一个重要安全性问题是混凝土容易开裂，如何又快又好地建设此类工程是人们长期关注的问题。国际上少数国家已经实现的混凝土坝快速浇筑是进一步解决这个问题的重要途径，目前在国内也有少数工程进行尝试，实现的效益非常显著。但快速施工条件下的混凝土坝应力安全机理目前还没有完全研究透彻，学术界和工程界对此尚存一些疑问。本项目基于数值仿真计算和现场原型试验，在以往工作成果的基础上，尝试揭示大体积混凝土快速施工时的应力特性和发展规律，以及相应的裂缝机理；揭示快速浇筑条件下混凝土自生体积与温度上升期的应力补偿机理；提出混凝土内外温差的合理定义和相应参考标准、测量方法；提出混凝土快速施工的合理温控防裂方法和参考指标，为混凝土坝的快速浇筑施工提供可参考的科学依据；提出适应快速浇筑的高效高精度仿真算法。

在混凝土坝设计和施工中，如何做到既减少混凝土坝裂缝且加快施工速度是一个学术界和工程界都非常关心的问题。为了对这个问题给出更加科学合理的解释和解决方案，本项目从如下几个方面开展了研究并获得了相应的成果。.（1）通过比较60m高和200m高这两种不同规模的混凝土重力坝的施工过程，发现在相同浇筑厚度条件下，两者的温度与应力的变化规律基本一致，而且在数值上也相当地接近，对多种影响因素的敏感性也基本相同。.在无水管冷却条件下，随着浇筑层厚增加，内外温差和基础温差都增加，早龄期的拉应力也增加。强约束区中部的早龄期拉应力最大值与浇筑层厚度基本接近线性关系。.在有水管冷却条件下，随着浇筑层厚度的增加，早期混凝土内部最高温度越高，但增加值不明显。随着浇筑层厚度的增加，浇筑层内外温差也增加，早期仓面混凝土拉应力也越大，且最大拉应力出现在间歇期内。.早期坝体上下游表面混凝土内外温差和拉应力随着浇筑层厚度的增加而增大，最大拉应力出现在浇筑后的第一个冬季。.（2）由于自生体积变形在宏观上是均匀的，所以对于由内外温差引起的温度应力是基本没有补偿作用的，只对由外部约束作用而产生的温度应力具有一定的补偿作用。在混凝土坝工程中，自生体积变形产生的拉应力占比偏小。比如自生体积变形终值从60个微应变分别减小25%和50%后，强约束区的最终拉应力值分别减小0.19MPa和0.38MPa，减小幅度占总拉应力大小的比例分别约为4%和8%。.（3）对混凝土内外温差的合理定义和标准进行了研究，提出了混凝土表面安全系数计算模型。该计算模型可以通过表层混凝土的实测温度梯度快速计算得出混凝土表面的安全系数，便于工程现场通过观察和控制温度空间梯度来调整表面保温措施。.（4）对快速浇筑条件下的温控防裂措施进行了研究，采用快速浇筑方法带来的最大难题——混凝土内部热量更加难以散发，可以通过加强和优化内部冷却水管的作用有效弥补，对坝体表面保温需适当加厚。总体而言，可以通过优化常用的措施手段控制快速浇筑条件下的拉应力。.（5）混凝土温度场和应力场的高效高精度仿真算法研究：提出了考虑沿程水温变化的改进水管埋置单元法，借助于某泵站混凝土底板水管冷却温度场实测数据，对比分析了计算精度。然后进一步提出了p型改进水管埋置单元法，算法程序应用后，在确保精度的条件下将算例的计算速度提高了2.2倍。